AKILLI ŞEBEKE YAPISI (SMART GRID STRUCTURE)

Akıllı şebeke, bir dağıtım bölgesindeki kullanıcı davranışlarının bilinmesini, bölgenin enerji ihtiyacının toplanan veriler ışığında analiz edilmesini ve bu bölgedeki dağıtım işlemlerinin analiz sonuçlarına göre yönetilmesini amaçlamaktadır. Bu tanımdan yola çıkılarak akıllı şebeke yapılarının işletilebilmesi için  3 ana sistem gereksiniminden bahsedebiliriz;

• Veri Toplama Sistemleri
• Analiz Sistemleri
• Yönetim Sistemleri

Veri toplama sistemleri, akıllı şebekelerin alt yapısını oluşturmakta ve diğer basamaklar için gerekli olan verileri otonom olarak sahadan toplamaktadır. Veri toplama sistemleri içerisinde akıllı sayaçlar, veri toplayıcı üniteler(data concentrator), alt dağıtım trafo merkezi yönetim elemanları, aydınlatma sistemleri kontrol elemanları vb. bulunmaktadır. Bu sistemler birbirleri ile GSM/GPRS, PLC(Powerline Communication), RF, Ethernet, PSTN, RS-485, RS-232 vb. gibi fiziksel arayüzler ile haberleşmekte ve sahadan toplanan verileri merkezi kontrol sistemlerine iletmektedir. Kullanılan haberleşme arayüzleri saha şartlarına göre değişiklik göstermektedir.

Analiz Sistemleri, veri toplama sistemi tarafından toplanan verilerin analiz edilmesi, gereksinimlerin ortaya çıkarılması ve şebeke ile ilgili bilgilerin elde edilmesi işlemlerini yerine getirmektedir. Kayıp/kaçak bilgilerinin ortaya çıkartılması, anlık enerji gereksinimlerinin belirlenmesi, ileriye dönük enerji ihtiyacının belirlenmesi, arıza ve önleyici bakım alanlarının belirlenmesi, tarife yönetimi vb. işlemler bu sistemeler tarafından yapılmaktadır.

Yönetim Sistemleri, elde edilen veriler ve analizler sonucu şebekenin yönetimi ile ilgili öngörülerin belirlenmesi ve talebe göre arzın kontrol edilmesi işlemlerini yürütmektedir. Şebeke planlama, faturalandırma, analiz verilerine göre arz/talep yönetimi, bakım ve onarım ile ilgili iş emirleri, kullanıcı geri dönüşleri kapsamında iyileştirme stratejileri gibi işlemler bu sistemler tarafından yerine getirilmektedir. 

Bir akıllı şebeke alt yapısnın kontrol edilebilmesi için yukarıda belirttiğimiz üç sistemin birbirlerine entegrasyonunun çok iyi yapılması ve gerçek zamana yakın bir biçimde çalışması sağlanmalıdır. Bu sistemlerden herhangi biri beklenen performans ile çalıştırılamadığında veri ve ekonomik kayba uğramanın dışında son kullanıcıya verilen hizmet kalitesi de düşecektir. 

Yenilebilir enerji kaynaklarının devreye girmesi ile oluşacak enerji dağıtım şebekesi eskiye oranla daha karmaşık bir hal alacaktır. Eskiden genellikle fosil yakıtlardan üretilerek tek yönlü olarak kullanıcıya enerjiyi ileten şebekeler yerini kullanıcıların da enerji üretip satmasına imkan veren, yenilenebilir enerji kaynaklarının daha aktif kullanıldığı çift yönlü şebekelere bırakacaktır. Bu da şebekenin karmaşıklığını ve kontrolünü güçleştirecektir. Enerji üretiminde merkezi bir yapı yerine yerel enerji üretim tesislerinin, yenilenebilir enerji kaynaklarının ve enerji depolama sistemlerinin şebekeye dahil edilmesi aşağıdaki problemleri ortaya çıkartmaktadır;

• İki yönlü enerji akışından dolayı reaktif gücün kontrolünün zorlaşması,
• Değişen aktif ve reaktif güçten dolayı şebekede istenmeyen gerilim değişimlerinin olması,
• Şebeke üzerindeki transformatörlerin bağlantı gruplarına göre kısa devre akımlarının etkilerinin artması ve röle seçim kriterlerinin sürekli değişmesi,
• Mevcut şebeke elemanlarının kısa devre akım limitleri ile ısıl dayanım kapasitelerinin zorlanması,
• Fliker ve harmonik üretiminin kabul edilebilir sınırlar içinde olmaması,
• Anahtarlama ve anlık devreye girme olayları gibi geçici durumlarda şebeke kararlılığının limit değerler dışına çıkması.

Bu problemleri ortadan kaldırmak amacıyla akıllı şebeke alt yapısı için kullanılacak şebekelerin yenilenmesi ve bu yapıya uygun hale getirilmesi gerekmektedir.

Bu şekilde bir şebekenin yönetilebilmesi için dağıtık bir kontrol mekanizmasına ihtiyaç duyulacaktır. Bu kontrol mekanizmasının verimli bir şekilde çalışması için yukarıda belirttiğimiz veri toplama, analiz ve yönetim sistemlerinin görevlerini tam olarak yerine getirmeleri gerekmektedir.

Akıllı Şebekeler İçin Haberleşme Sistemleri

Günümüz kablolu ve kablosuz haberleşme teknolojilerinde kaydedilen gelişmeler, akıllı şebekelerin haberleşme katmanının inşasına ivme kazandırmıştır. Akıllı şebekelerin mimarilerinde haberleşme ihtiyacı yakın-alan (bina ve tesis içi) ve uzak-alan (şehir içi ve şehirlerarası) haberleşmelerinin her ikisini de kapsamaktadır. Milyonlarca kullanıcıya hizmet veren bir akıllı güç dağıtım altyapısının kendi içinde uyumlu çalışabilmesi ve haberleşebilmesi için yüksek bant-genişliklerine sahip yüksek hızlı veri iletim altyapılarına ihtiyaç duyacaktır. Bu altyapı günümüzde gerek fiber teknolojisi ile gerekse kablosuz iletişim imkanları ile mümkün olmaktadır. IEEE tarafından akıllı şebeke uygulamaları için önerilmiş başlıca haberleşme teknolojileri ZigBee, WiMAX ve Kablosuz LAN (Wi-Fi) teknolojileri, GSM/GPRS, DASH 7 ve güç hatları üzerinden haberleşme ( PLC)’dir.

Akıllı şebekelerin gerçek zamanlı haberleşme yeteneği kazanması, elektrik şebekelerinin modernizasyonu için bir dönüm noktası teşkil edecektir. Bu durumda veri merkezleri, üretici/tüketici tabanlı yazılımlar, dağıtık kontrol birimleri, geniş alan yönetim uygulamaları bu altyapı üzerinden haberleşebileceklerdir. Bu haberleşme altyapısı; bugün için fiber optik kablo, güç hattı üzerinden geniş bant iletim ve kablosuz teknolojiler içeren çeşitli iletişim yollarını barındıracak şekilde inşa edilebilmektedir.

GSM/GPRS teknolojisi sabit hat telefon ağından sonra dünyanın en yaygın haberleşme teknolojisi olarak akıllı şebeke uygulamalarında avantajlı bir konuma sahiptir. Fakat aylık ve yıllık haberleşme maliyetleri sebebiyle şebeke içerisinde bulunan tüm elemanlara eklenmesi pek mümkün görülmemektedir. Genellikle alt dağıtım trafo merkezlerinin izlenmesinde ve veri toplayıcı ünitelerin sahadan topladığı verileri merkez yönetim sistemine aktarmasında tercih edilmektedir. Hollanda da tüm elektirik sayaçlarının GSM/GPRS teknolojisi üzerinden haberleşme teknolojisine sahip olması ve gaz sayaçlarını da okuyarak toplanan verileri merkeze iletebilmesi üzerine çalışmalar yapılmaktadır.

Kablosuz ağ teknolojilerindeki gelişmelerle birlikte cihazlar arası kablolu haberleşme, yerini kablosuz haberleşmeye bırakmıştır. Genel olarak kablosuz sinyaller, iletim zayıflamasına ve gürültüye önemli ölçüde maruz kalmaktadır. Bu nedenle, kablosuz ağlar genellikle nispeten düşük veri hızları ile kısa mesafe bağlantıları sağlar. Akıllı şebekeler için IEEE 802.11 (Wi-Fi) ve IEEE 802.16 (WiMAX) gibi standartlar getirilmiş olup bu standartların geliştirilmesi ve olgunlaştırılması yolunda çalışmalar devam etmektedir. IEEE 802.11 (Wi-Fi) ağlarında haberleşme için maksimum veri hızı 150 Mbps ve maksimum haberleşme mesafesi 250 m olarak belirlenmiştir. IEEE 802.16 standardında ise 50 km mesafede 100 Mbps hızında veri transferi sağlanabilmektedir. Wi-Fi ve WiMAX kullanımı için yeterli kapsama alanı ve alt yapı yetersizliğinden dolayı akıllı şebekelerde kullanımları sınırlıdır.

Elektrik hattı üzerinden haberleşme teknolojisi, çift yönlü iletişim için mevcut güç hattı kablo altyapısı üzerinden modüle edilmiş taşıyıcı bir sinyalin bilgisini içerir. PLC, dar bant PLC ve geniş bant PLC olmak üzere iki ana kategoriye ayrılır. Dar bant PLC, (3-500) kHz band genişliğine sahip olan bir haberleşme aralığına sahiptir. Geniş bant PLC teknolojisi, birkaç yüz Mbps veri hızı ile (2-250) MHz bant genişliğinde çalışma potansiyeline sahiptir. Dar bant PLC teknolojisi, yakın-alanda ölçümleme ve kontrol uygulamaları için daha uygundur. Geniş bant PLC ise, akıllı şebeke uygulamalarına ek olarak son kullanıcı multimedya ve internet hizmetleri için iletişim imkanı sunar. Geniş bant PLC kullanımı haberleşme mesafesinin düşük olmasından ötürü akıllı şebeke uygulamalarında pek kullanılmamaktadır. Dar bant PLC için kıtasal ve ülkesel olarak haberleşme bantları belirlenmiştir. Amerika Birleşik Devletlerinde 3-500kHz arasında olan dar bandın tamamının kullanımı serbet iken Avrupa akıllı şebeke yapısı için sadece 3-95kHz arasında olan CENELEC-A bandının kullanılmasına izin verilmektedir. Bant genişliğinin azlığı ve kullanılan bandın gürültü oranlarının daha yüksek olması sebebiyle Avrupa ülkelerinde PLC kullanımı istenilen performansı genellikle sağlayamamaktadır.

IEEE 802.15.4, fiziksel katman ve ortam erişim denetimi için tanımlı, düşük hızlı, kablosuz ve kişisel alan ağları için belirlenmiş bir standarttır. ZigBee, düşük güç tüketimi ile birlikte haberleşmede düşük veri hızı gerektiren kablosuz cihazlar için geliştirilmiştir. ZigBee için potansiyel kullanım alanları; ev otomasyonu, bina otomasyon, enerji yönetimi ve verimlilik, endüstriyel kontrol, tüketici elektroniği ve haberleşme servisidir. 

Akıllı şebeke haberleşme sistemlerinde devam eden çalışmaların çoğu tüketici bölgesi üzerine yoğunlaşmıştır. PLC, IEEE 802.11 (Wi-Fi), IEEE 802.15.4 (ZigBee) ve GSM/GPRS tabanlı geliştirilen çözümler, ev otomasyonu ve otomatik sayaç okuma (Automatic Meter Reading- AMR) gibi amaçlar için kullanılabilmektedir. Önümüzdeki yıllarda önemli bir elektrik tüketicisi olarak karşımıza çıkacak olan hibrit elektrikli araçlar için GSM/GPRS tabanlı çözümler geliştirilmiş olup, diğer teknolojilerin uygulanabilmesi için çalışmalar sürdürülmektedir. IEEE 802.16 (WiMAX), araştırmacılar arasında fazla ilgi görmediğinden sadece AMR tabanlı uygulamalarda yer edinmiştir.

DASH7, yeni ve ticari amaçlar için geliştirilmiş bir teknolojidir. İlk aşamada askeri haberleşme sistemlerinde kullanılmış ve oldukça başarılı sonuçlar elde edilmiştir. Bu nedenle tüketici ölçekli akıllı şebeke haberleşme sistemi için ideal teknolojiler arasındaki yerini almıştır.

Toplanan Verilerin Anlamlandırılması ve Yönetimi

Günümüzde enerji dağıtım şirketleri tarafından kullanılan akıllı şebeke yönetim yazılımlarının genel özelliklerine bakacak olursak;

• Arıza ve Bakım Yönetimi,
• Karar Destek ve Analitik Hizmetlerin Yönetimi,
• Varlık ve Envanter Yönetimi,
• Ticaret Yönetimi,
• Dağıtım Hizmeti Müşteri İlişkileri Yönetimi,
• Saha Operasyonları Yönetimi,
• Faturalama ve Tahsilat Yönetimi,
• Perakande Satış Yönetimi,
• Ticari Risk Yönetimi 

gibi iş süreçleri akıllı şebeke yönetim sistemleri tarafından gerçekleştirilebilmektedir. Bu tür iş süreçlerinin sağlıklı olarak yürütülebilmesi için bu yapıyı kaldırabilecek bir bilişim teknolojisi (BT) alt yapısına sahip olunmalıdır. Özellikle akıllı şebeke yapılarının dünya genelinde yaygınlaşması ile enerji üretim ve dağıtım sektöründe bilişim teknolojilerinin önemi artmıştır. Üretim, dağıtım ve şebeke yönetimi işlemlerinin belirli yazılımlar ile kontrol edilmesi insan faktörünü devreden çıkartarak hata ihtimalini düşürmektedir. Özellikle IBM, Google ve Microsoft gibi büyük yazılım firmaları bu alanda çalışmalarını hızlandırmış ve Pazar paylarını arttırabilmek için rekabete girmişlerdir. 

Özellikle sahadan toplanan verilerin analiz edilmesi ile önleyici bakım, otonom arıza giderme, yüklerin dengeli dağılımı, aydınlatma sistemlerinin verimliliğin arttırılması, kayıp/kaçak oranlarının tesbit edilerek önlemlerin alınması, arz/talep kestirimlerinin yapılması gibi konularda yapılan çalışmalar enerji dağıtım şirketlerinin maliyetlerinde önemli düşüşlere sebep olmuşlardır.